關(guān)于施工現(xiàn)場混凝土硬化程度實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)的研究

陳志遠(yuǎn)，譚愷炎，王振振，陳軍琪，黃治錄

(葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測有限公司，湖北宜昌443002)

1 背 景

在土建工程施工現(xiàn)場，混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件澆筑完畢后，混凝土硬化程度需要重點(diǎn)關(guān)注，因?yàn)樗P(guān)乎何時(shí)能夠拆除模板和支撐，何時(shí)能夠進(jìn)行下一道工序。如果對(duì)硬化程度把握不準(zhǔn)，在混凝土未足夠硬化時(shí)，就貿(mào)然進(jìn)行支護(hù)拆除，開始下一環(huán)節(jié)的施工，一定會(huì)對(duì)工程質(zhì)量造成不利影響，嚴(yán)重者還會(huì)造成結(jié)構(gòu)垮塌、斷裂等安全事故。在橋梁結(jié)構(gòu)、大跨度殼體結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的混凝土施工中，這個(gè)問題顯得特別突出。江西豐城發(fā)電廠“11.24”冷卻塔施工平臺(tái)坍塌特大事故，就是由于施工人員缺乏對(duì)混凝土硬化程度的清晰認(rèn)識(shí)，過早拆除支護(hù)所致。另一方面，如果等待混凝土硬化時(shí)間過長，則會(huì)影響施工進(jìn)度。為了掌握混凝土硬化情況，傳統(tǒng)的做法是：在施工時(shí)成型多組不同齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度試件，擱置在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件旁邊，進(jìn)行同條件養(yǎng)護(hù)，至規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，得到混凝土的抗壓強(qiáng)度。試件制作和強(qiáng)度試驗(yàn)過多帶來很大工作量，實(shí)際工程中不會(huì)每一個(gè)齡期都有試件，有時(shí)僅憑經(jīng)驗(yàn)判斷強(qiáng)度的發(fā)展。因此，傳統(tǒng)做法對(duì)混凝土硬化程度的反饋及時(shí)性差，操作不便，不能滿足施工需求。

為彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土硬化程度的實(shí)時(shí)反饋，精準(zhǔn)指導(dǎo)施工，本文提出了如下技術(shù)路徑，即，在混凝土施工時(shí)同步成型長方體試件，將試件置于施工現(xiàn)場進(jìn)行與混凝土結(jié)構(gòu)物同條件的養(yǎng)護(hù)，定時(shí)采集試件的自振頻率，通過已經(jīng)建立的頻率和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系方程，推斷混凝土強(qiáng)度，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將推斷結(jié)果上傳至服務(wù)器，供相關(guān)人員查閱和施工決策。依照此路徑，分別開展了反饋系統(tǒng)研制、反饋方法確定、反饋曲線實(shí)測、影響因素探究和反饋效果驗(yàn)證等相應(yīng)的研究工作，取得了滿意的結(jié)果。

2 研制反饋系統(tǒng)

研制的混凝土硬化程度實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)由防護(hù)罩、試件、塑料試模、固定錐、隔振墊、傳感器、激振器、振動(dòng)測試儀、無線熱點(diǎn)、服務(wù)器和客戶端組成。

防護(hù)罩一端為籠狀物，可透風(fēng)、雨、陽光，一端為箱狀物，可以密封，鋼質(zhì)，帶蓋，打開蓋子，籠狀物內(nèi)可以放入4個(gè)試件，箱狀物內(nèi)可以放入振動(dòng)測試儀。

試件為長方體，其長、寬、高的尺寸分別為300、150、150 mm，是混凝土材料裝入塑料試模振實(shí)、抹平后硬化而成的；塑料試模為硬質(zhì)工程塑料模鑄而成的整體試模。

固定錐為長約120 mm的鋼質(zhì)桿狀物，中段直徑10 mm，一端為錐形，一端帶螺紋，可以將傳感器通過螺紋固定在試件上。

隔振墊為厚度超過20 mm的海綿類片狀材料，用以擱置試件，減少外部振動(dòng)對(duì)試件振動(dòng)測試數(shù)據(jù)的影響。

傳感器為振動(dòng)加速度傳感器，尾端設(shè)有固定螺孔，頻響范圍10～10×103Hz，其通過信號(hào)線與振動(dòng)測試儀上的采集通道相連，用以感知試件的振動(dòng)特性。

激振器為一圓柱狀物，鋼質(zhì)，總質(zhì)量約800 g，下部設(shè)有圓形底座，直徑約80 mm，內(nèi)部固定電磁鐵，通電時(shí)銜鐵向下撞擊底座，產(chǎn)生振動(dòng)，斷電時(shí)銜鐵靠彈簧自動(dòng)復(fù)位，撞擊力約1 kgf，其通過電線與振動(dòng)測試儀上的激振通道相連，用來按指令產(chǎn)生振動(dòng)。

振動(dòng)測試儀內(nèi)設(shè)單片機(jī)和振動(dòng)采集模塊，外部設(shè)有采集和激振通道各4個(gè)，兩種通道分別與傳感器和激振器相連，可以實(shí)現(xiàn)在程序控制下的振動(dòng)發(fā)生和振動(dòng)采集，最大采樣頻率40 kHz，內(nèi)部設(shè)有WIFI模塊，可以實(shí)現(xiàn)無線通訊。

無線熱點(diǎn)可以覆蓋振動(dòng)測試儀、服務(wù)器所在范圍，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的無線連通。

服務(wù)器中設(shè)有施工管理程序，可以接收振動(dòng)測試儀測得的結(jié)果，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和決策。

客戶端可以是電腦或者移動(dòng)通訊設(shè)備，用以對(duì)服務(wù)器進(jìn)行訪問和操作。

3 確定反饋方法

施工現(xiàn)場混凝土硬化程度實(shí)時(shí)反饋，按以下步驟進(jìn)行：

(1)在施工現(xiàn)場的合適位置架設(shè)無線熱點(diǎn)，或者利用現(xiàn)成的無線通信網(wǎng)絡(luò)，使振動(dòng)測試儀、服務(wù)器和客戶端能進(jìn)行無線通訊；將防護(hù)罩平穩(wěn)放置在結(jié)構(gòu)物旁邊的偏僻處，以減少施工干擾，并能保證該處的環(huán)境條件與結(jié)構(gòu)混凝土的養(yǎng)護(hù)條件一致。

(2)將振動(dòng)測試儀放置在防護(hù)罩一端的箱狀物內(nèi)，將隔振墊平放在防護(hù)罩另一端的籠狀物內(nèi)。

(3)在混凝土結(jié)構(gòu)物進(jìn)行澆筑施工時(shí)，每個(gè)臺(tái)班或者每100 m3混凝土抽取樣品1個(gè)，篩除粒徑大于40 mm的骨料，翻拌均勻后裝入塑料試模，振搗密實(shí)，抹平表面，且使之與塑料試模的上沿平齊；塑料試模中的混凝土凝固硬化，即為試件。

(4)將塑料試模連同其中的試件一起平穩(wěn)轉(zhuǎn)移至隔振墊上；再將傳感器通過信號(hào)線與振動(dòng)測試儀連接，并通過螺紋與固定錐穩(wěn)固地連接在一起；接著，從試件表面中心將固定錐豎直插入，深至只有螺紋部分外露。

(5)待試件凝固一段時(shí)間后，如果激振器放在試件上不會(huì)下沉進(jìn)入混凝土，即把激振器通過電線與振動(dòng)測試儀連接，并在試件的上表面縱軸線上緊靠端部豎直、平穩(wěn)放置，激振器不能接觸塑料試模。

(6)打開振動(dòng)測試儀，打開客戶端，訪問服務(wù)器，設(shè)定時(shí)間間隔為10 min，使系統(tǒng)開始工作，每10 min進(jìn)行1次激振和數(shù)據(jù)采集，得到試件的一個(gè)振動(dòng)時(shí)域波形，通過振動(dòng)分析得到試件的自振頻率Fi。

(7)服務(wù)器按公式(1)計(jì)算混凝土的推定強(qiáng)度Pi，MPa；并將試件編號(hào)、代表部位、齡期和推定強(qiáng)度以表格和強(qiáng)度發(fā)展過程線的方式顯示出來。即

Pi=A·eB·Fi

(1)

(8)當(dāng)自振頻率Fi大于2 000 Hz后，將試件從塑料試模中脫出，將時(shí)間間隔改設(shè)為1 h，使系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。運(yùn)行期間蓋上防護(hù)罩的蓋子，鎖好，使試件免受干擾、防止丟失。

(9)隨著混凝土澆筑施工的繼續(xù)，新的試件不斷制作，并接入系統(tǒng)；必要時(shí)增加傳感器、激振器、振動(dòng)測試儀等的數(shù)量。

(10)將取自同一澆筑倉位的同一種類混凝土的試件作為一批看待，系統(tǒng)將該批的每一個(gè)試件的最新推定強(qiáng)度值作為一個(gè)數(shù)列，每當(dāng)該批有最新推斷強(qiáng)度值出現(xiàn)時(shí)，求出該數(shù)列中的最小值，將其作為該倉位混凝土強(qiáng)度的評(píng)定值P，假設(shè)規(guī)范規(guī)定的可以進(jìn)行下一道工序的混凝土強(qiáng)度值為Ps，則當(dāng)滿足P≥Ps時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出可以進(jìn)入下一道工序的通知。如果不再有監(jiān)控需求，系統(tǒng)即結(jié)束運(yùn)行。

在實(shí)際使用中，開始一種新的混凝土強(qiáng)度反饋之前要按上述步驟測試多個(gè)混凝土試件的自振頻率，同時(shí)實(shí)測混凝土的抗壓強(qiáng)度值，重新建立或校準(zhǔn)公式(1)。在此，公式(1)稱之為反饋曲線方程。反饋曲線方程建立后，就可以用來進(jìn)行強(qiáng)度反饋，在反饋過程中，也可以有意成型一些抗壓強(qiáng)度試件，驗(yàn)證反饋曲線的有效性，必要時(shí)對(duì)反饋曲線方程予以修正。

4 實(shí)測反饋曲線方程

制作了混凝土硬化程度實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)，開發(fā)了配套的軟件，在試驗(yàn)室和工程現(xiàn)場進(jìn)行了多次試驗(yàn)，單次最長運(yùn)行時(shí)間達(dá)一個(gè)多月，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性，得到了多條反饋曲線。從自振頻率與抗壓強(qiáng)度的回歸分析結(jié)果看，相關(guān)系數(shù)均大于0.95，二者之間的相關(guān)性明顯。由此可見，在一定的條件下，抗壓強(qiáng)度與自振頻率存在著穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，依此實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土硬化程度的反饋是可行的。

4.1 室內(nèi)試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)用混凝土原材料為基準(zhǔn)水泥，河砂，粗骨料為二級(jí)配碎石，包括粒徑5～20 mm的小石和粒徑20～40 mm的中石。使用了2個(gè)配合比，配合比參數(shù)分別為：水膠比0.60，砂率36%，用水量200 kg/m3；水膠比0.40，砂率32%，用水量200 kg/m3。實(shí)測拌和物坍落度分別為70 mm和50 mm。

成型頻率測試試件4條，2個(gè)配合比中每一個(gè)配合比分別成型了1條篩出中石的試件，1條原級(jí)配試件；成型強(qiáng)度測試試件18組，每個(gè)配合比9組，齡期范圍為1～28 d，所有立方體抗壓強(qiáng)度試件均未篩出中石。

測得4條抗壓強(qiáng)度與自振頻率的關(guān)系曲線，以指數(shù)函數(shù)的形式擬合出了關(guān)系方程，相關(guān)系數(shù)分別為0.991 2、0.988 1、0.993 4、0.993 5?？梢?，雖然水膠比不同、骨料粒徑不同，但抗壓強(qiáng)度與自振頻率之間都呈現(xiàn)出高度相關(guān)性。典型的抗壓強(qiáng)度與自振頻率的關(guān)系方程如下：Pi=0.122 4·e0.001 355 2*Fi，R=0.991 2。

4.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

在施工現(xiàn)場開展了6次試驗(yàn)，所用混凝土有泵送混凝土和常態(tài)混凝土兩種。其中泵送混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30，常態(tài)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C18035。

泵送混凝土和常態(tài)混凝土試驗(yàn)各進(jìn)行了3次，每次成型頻率測試試件1條，抗壓強(qiáng)度試件多組，齡期范圍1～28 d。

3次泵送混凝土試驗(yàn)采用的配合比基本相同，3次常態(tài)混凝土試驗(yàn)采用的配合比完全相同，6次試驗(yàn)所用原材料相同，從試驗(yàn)結(jié)果看，無論是泵送混凝土還是常態(tài)混凝土，其抗壓強(qiáng)度和自振頻率之間都呈現(xiàn)出高度的相關(guān)性。分別以指數(shù)函數(shù)的形式擬合出了6個(gè)關(guān)系方程，其相關(guān)系數(shù)分別為0.996 8、0.997 8、0.995 4、0.999 4、0.994 2、0.993 7。典型的抗壓強(qiáng)度與自振頻率的關(guān)系方程為：Pi=0.213 0×e0.001 130 3*Fi，R=0.996 8。

5 探究影響因素

由于通過自振頻率反饋混凝土的硬化程度，那么，影響混凝土試件自振頻率的因素就會(huì)對(duì)反饋結(jié)果產(chǎn)生影響，從理論上分析，主要因素包括組成試件的混凝土中砂石材料的彈性模量、單位體積中的占比，硬化膠凝材料的彈性模量和單位體積中的占比，具體表現(xiàn)為混凝土的原材料品質(zhì)和配合比，另外還包括溫度和濕度這兩種環(huán)境因素。

5.1 原材料及配合比的影響

為了解原材料和配合比對(duì)反饋結(jié)果的影響，研究中用一種最大粒徑為40 mm的中石混凝土拌和物，直接成型了一個(gè)自振頻率試件，再成型了一個(gè)篩除了中石，粗骨料只含有小石的自振頻率試件。

從試驗(yàn)結(jié)果可知，在相同的抗壓強(qiáng)度下，含有中石的試件，其自振頻率在各個(gè)齡期都明顯高于只含有小石的試件，差值在150～200 Hz之間，將這些不同的自振頻率代入相關(guān)方程計(jì)算出抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，會(huì)有20%～30%的差異，可見，混凝土中的原材料情況和相互之間的比例對(duì)反饋結(jié)果的確會(huì)帶來較大的影響，原材料和配合比不同的混凝土，在進(jìn)行強(qiáng)度反饋之前應(yīng)事先建立各自的反饋方程。如果沒有專用的反饋方程，而是使用某個(gè)通用反饋方程的話，反饋結(jié)果會(huì)有較大誤差。

5.2 溫度和濕度的影響

為了解試件溫度對(duì)反饋結(jié)果的影響，研究中把一支電子溫度計(jì)裝入試件中心，定時(shí)采集溫度值，同時(shí)測試試件的自振頻率。該混凝土試件齡期超過6個(gè)月，強(qiáng)度發(fā)展基本處于停滯狀態(tài)，可以認(rèn)為此次測試結(jié)果中頻率的變化不是由強(qiáng)度發(fā)展引起的。

試件中心溫度的變化通過室內(nèi)空調(diào)產(chǎn)生，將被測試件和測試系統(tǒng)置于空調(diào)風(fēng)口，起初的一段時(shí)間開啟空調(diào)的制冷功能，溫度穩(wěn)定后，再開啟制熱功能，待溫度再次穩(wěn)定后，將空調(diào)關(guān)閉，繼續(xù)測試一段時(shí)間后結(jié)束。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，溫度的變化能夠引起試件自振頻率的變化，隨著溫度的下降，自振頻率上升，隨著溫度的上升，自振頻率下降，這種規(guī)律比較明顯，也符合材料溫度升高則剛度下降的一般認(rèn)知。按溫度陡升段計(jì)算，頻率隨溫度的變化率約為-1.5 Hz/℃。所以，在進(jìn)行強(qiáng)度反饋時(shí)，為了提高反饋精度，必要時(shí)，需要同步測試試件溫度，對(duì)自振頻率測值進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚Ｈ绻M(jìn)行溫度修正，在建立反饋方程時(shí)就要同步測量試件的溫度，實(shí)際反饋應(yīng)用中，則將此溫度作為修正的基準(zhǔn)。

為了探究試件濕度對(duì)反饋結(jié)果的影響，研究中仍然使用前述溫度影響測試時(shí)的試件和裝置。為了使試件的濕度產(chǎn)生變化，特意將干燥的試件沉入水中，使水位稍高于試件的表面，一段時(shí)間后，再將試件從水中取出，使其自然干燥。在這個(gè)過程中，試件經(jīng)歷了從干燥到完全濕潤，再到干燥的含水狀態(tài)改變，期間，測試試件的自振頻率和中心溫度的變化。

從此次試驗(yàn)結(jié)果可知，試件的濕度會(huì)影響其自振頻率，濕度大，則自振頻率低，濕度小，則自振頻率高，從試件幾近飽和到自然干燥，本次試驗(yàn)結(jié)果的自振頻率變化約為30 Hz，扣除溫度的影響，這個(gè)值會(huì)更小。而在實(shí)際反饋應(yīng)用中，試件濕度通常不會(huì)變化這么大，所以，濕度對(duì)反饋結(jié)果的影響會(huì)更小，只需在必要時(shí)予以考慮。

6 驗(yàn)證反饋效果

反饋效果共驗(yàn)證了2次，第一次使用了一種常態(tài)混凝土，第二次使用了一種泵送混凝土。驗(yàn)證的過程分兩個(gè)階段，先進(jìn)行第一次試驗(yàn)，建立反饋方程，再進(jìn)行第二次試驗(yàn)，使用第一次試驗(yàn)建立的反饋方程反饋強(qiáng)度值，同步進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，評(píng)價(jià)反饋強(qiáng)度與實(shí)測強(qiáng)度的差別。實(shí)測的混凝土硬化過程線如圖1所示。

圖1 混凝土硬化過程線

兩種混凝土實(shí)測抗壓強(qiáng)度與硬化反饋強(qiáng)度誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 混凝土強(qiáng)度反饋誤差統(tǒng)計(jì)

從表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，實(shí)測的抗壓強(qiáng)度與利用反饋系統(tǒng)反饋得到的抗壓強(qiáng)度結(jié)果誤差的最大絕對(duì)值為12.1%，大部分結(jié)果誤差絕對(duì)值不大于10%，參考相關(guān)混凝土抗壓強(qiáng)度測試規(guī)程中對(duì)組內(nèi)需刪除數(shù)字規(guī)定的15%的允許誤差判斷，該反饋強(qiáng)度結(jié)果可信。

7 結(jié) 語

本文提出了混凝土硬化程度實(shí)時(shí)反饋的方法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)體澆筑后混凝土硬化程度的及時(shí)反饋，提高了施工技術(shù)水平，填補(bǔ)了業(yè)內(nèi)空白；研制和開發(fā)了混凝土硬化程度實(shí)時(shí)反饋裝置及配套的計(jì)算機(jī)管理軟件，通過不斷改進(jìn)和完善，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在現(xiàn)場施工環(huán)境中的長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行；將該系統(tǒng)在工程現(xiàn)場進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，其運(yùn)行穩(wěn)定性和反饋準(zhǔn)確性通過了檢驗(yàn)，并探究了影響反饋結(jié)果精度的主要因素。

及時(shí)掌握混凝土澆筑后的硬化程度，對(duì)于混凝土施工具有重要意義，通過測試試件的自振頻率反饋混凝土的硬化程度，測試過程對(duì)試件無損壞，所以一個(gè)試件可以用于反饋各個(gè)齡期的強(qiáng)度，直到試驗(yàn)結(jié)束，這和傳統(tǒng)的成型多組抗壓強(qiáng)度試件后再進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)來了解硬化程度的方法相比，工作量大幅度減少。另外，由于利用了現(xiàn)代通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工程技術(shù)人員可以隨時(shí)隨地通過不同的客戶端(比如手機(jī))實(shí)時(shí)關(guān)注混凝土的強(qiáng)度發(fā)展?fàn)顟B(tài)，精準(zhǔn)把握工程狀況，為科學(xué)施工奠定了基礎(chǔ)。但是這種新的硬化程度反饋方式還需要更多的實(shí)踐驗(yàn)證和完善，從現(xiàn)有的研究結(jié)果來看，該方法已經(jīng)具備了推廣價(jià)值，希望能夠更多地應(yīng)用到工程實(shí)踐和科學(xué)研究中去。